低压电力线载波通信路由算法研究

1、低压电力线载波通信路由算法研究*吴兆平1，杨俊杰1，高聪慧2，姚金明1(1.上海电力学院电子与信息工程学院，上海 200090；2. 中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，哈尔滨 150080)摘要：低压配电网拓扑结构复杂未知，电力线载波通信信道干扰与时变造成通信不可靠,影响通信范围。本文对低压配电网拓扑结构进行分析,探讨了自动路由的必要性。在传统的蚁群算法基础上，提出了基于蚁群算法、遗传算法和粒子群算法相结合的混合路由算法。仿真研究表明，该方法能提高收敛速度和保证全局最优。关键词：电力线载波通信；低压配电网；混合路由中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2

2、015）00-0000-00The Research of Routing routing Algorithm algorithm for Lower lower Voltage voltage Power power Line line Carrier carrier CommunicationcommunicationWu Zhaoping1, Yang Junjie1, Gao Conghui2, Yao Jinming1 （1.College of Electronic and Information Engineering, Shanghai University oOf Elect

3、ric Power, Shanghai 200090, China. 2. China Mobile Group Design Institute Co.,.，Ltd., Heilongjiang Branch, Harbin 150080, China）Abstract: The topology of low-voltage distribution network is complex and unknown, and the power line communication (PLC) channel has interference and its status varies dyn

4、amically. And itSo causesd the unreliable communication and affects area the range limit of PLCcommunication. The necessity of automatic routing is explored through the analysis of the low voltage distribution network topology in this paper. On the basis of traditional ant colony algorithm, a hybrid

5、 routing combined ant colony algorithm, genetic algorithm and particle swarm algorithm is proposed. Simulation results show that thise method can improve the convergence speed and guarantee the global optimal.Keywords: power line communication, low -voltage distribution network, hybrid routing0 引 言低

6、压电力载波网络存在通信环境恶劣、阻抗低、干扰强、时变强、拓扑结构不稳定、网络中载波节点数目多、存在大量的隐蔽节点等问题 洪利. 低压电力载波网络介质访问控制与分簇路由协议研究D. 中国石油大学, 2011.Hong Li. Research on medium access control and cluster routing protocols in low voltage power line carrier networkD. China University of Petroleum, 2011.。目前国内外就提高低压载波通信可靠性和扩大通信范围做了许多研究。物理层方面分析信道特性，

7、进行信道估计与建模 谢志远, 耿烜, 侯思祖, 等. 基于判决反馈的正交频分复用低压电力线通信信道估计的研究J. 中国电机工程学报, 2005, 25(23): 66-70.Xie Zhiyuan, Geng xuan, Hou Sizu. Channel estimation based on decision feedback for ofdm system in low-voltage power line communicationJ. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(23): 66-70.，信道编码、调制解调方法 姚雪峰, 周嘉农, 宋玉宏, 等.

8、 正交频分复用前置编码技术在宽带电力线通信中的应用J. 电网技术, 2004, 28(18): 44-47.Yao Xuefeng, Zhou Jianong, Song Yuhong, et al. Application of orthogonal frequency division multiplexing precode technology in wide band communication of power transmission LinesJ. Power System Technology, 2004, 28(18): 44-47.；网络层方面研究自动中继路由，结合自动中

9、继和路由技术使信息通过不同设备间的转发传递，可以提高通信的实时性和可靠性 王新刚, 朱彬若, 王梦溪, 等. 提高低压电力用户用电信息采集系统本地通信成功率的探讨J. 电测与仪表, 2013, 50(9).Wang Xingang, Zhu Binruo, Wang Mengxi, et al. Study on local communication improvement of low-voltage power user electric energy data acquisition systemJ. Measurement & Instrumentation, 2013, 5

10、0(9).- 孙洪亮, 侯兴哲, 叶君. 一种载波通信路由测试装置的研制J. 电测与仪表, 2013, 50(7): 101-103.Sun Hongliang, Hou Xingzhe, Ye Jun. Development of low-voltage power line carrier route testing systemJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2013, 50(7):101-103.。* 基金项目：国家自然科学基金项目()；上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目()文献 戚佳金, 刘晓胜, 徐殿国,

11、等. 低压电力线通信分簇路由算法及网络重构J. 中国电机工程学报, 2008, (4).Qi Jiajin, Liu Xiaosheng, Xu Dianguo, et al. Cluster-based routing algorithm and reconstruction method of power line communication over lower-voltage distributionJ. Proceedings of the CSEE, 2008, (4).提出了一种基于非交叠分簇算法的电力线通信组网及路由重构方法，能根据信道质量动态建立、优化路由，有较强自愈能力，但

12、算法可靠性和抗毁性有限。文献 刘晓胜, 戚佳金, 宋其涛, 等. 基于蚁群算法的低压配电网电力线通信组网方法J. 中国电机工程学报, 2008, (1).Liu Xiaosheng, Qi Jiajin, Xu Dianguo, et alMethod of constructing power line communication networks over low-voltage distribution networks based on ant colony optimizationJ. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(1).- 陈晓娟, 耿雪莹.

13、低压电力线载波通信的动态路由算法J. 黑龙江电力, 2013, (1).Chen Xiaojuan, Geng Xueying. Study on dynamic routing algorithm for low voltage power line carrier communicationJ. Heilongjiang Electric Power, 2013, (1).提出了基于蚁群理论的组网路由算法，抗毁性和可靠性高，但单纯的蚁群算法可能会出现盲目探索，陷入局部最优解的问题。文献 林景栋, 秦玉龙, 廖孝勇. 电力载波通信动态组网算法的研究J. 控制工程, 2013, (5).Lin

14、 Jingdong, Qin Yulong, Liao Xiaoyong. The research of algorithm for dynamic network of power line carrier communicationsJ. Control Engineering of China, 2013, (5).设计了一种适用于路径寻优的改进遗传算法，简单易行。但没有给出路由的动态重构和优化方法，抗毁性和自愈能力较差。本文先对低压配电网拓扑结构进行分析，然后在文献7-8的基础上，以提高收敛速度和全局最优为目的，提出了基于蚁群算法、遗传算法和粒子群算法相结合的混合路由算法。1 低压配

15、电网拓扑结构电力线载波通信网中，终端数量较多，且分布不均匀。通信会受到不可靠连接和三相电源的影响。由于电力线信道的时变性、频率选择性和强干扰性等特点，误码率和通信距离会随时间段不同发生很大的变化，从而导致网络的拓扑结构也发生重大改变。低压配电网的物理拓扑多为星形/树形结构 刘晓胜, 周岩, 戚佳金. 电力线载波通信的自动路由方法研究J. 中国电机工程学报, 2006, (21).Liu Xiaosheng, Zhou Yan, Qi Jiajin. Method study of automatic routing for power line communicationJ. Proceedi

16、ngs of the CSEE, 2006, (21).。以集中抄表系统中采集系统为例，集中抄表系统主要由主站、集中器、采集器、电表、传输信道组成。采集系统中，集中器安置在台区变压器低压侧，与采集器为主-从关系。采集器平时处于接收命令状态, 当接收到集中器命令时, 按照指令内容将有关数据送至集中器或者下发到电表。主站与集中器间通过公用信道（如GPRS、GSM、PSTN）来进行远程通信 陶维青, 陈雄. 基于智能中继技术的低压载波自动抄表系统实现J. 电测与仪表, 2009, 46(5).Tao Weiqing, Chen Xiong. Realization of low voltage ca

17、rrier automatic meter reading system based on intelligent relay technologyJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2009, 46(5).。如图1所示，采集器与电表间通过RS-485总线基本可以实现数据的可靠传输，集中器通过220/380V的三相配电线和采集器通信由于低压电力线信道问题，难以保证数据的可靠传输 侯思祖, 杨丽, 陈璐. 低压电力线远程抄表自动路由搜索算法研究J. 低压电器, 2008, (16).Hou Sizu, Yang Li, Chen Lu

18、. Research on automatic routing algorithm for remote meter reading in low voltage power lineJ. Low Voltage Apparatus, 2008, (16).。在通信过程中，集中器发出的询问命令帧一般比终端回应的数据帧短得多，经常出现终端能收到轮询命令，而集中器收不到回应数据的情况 董亚波, 高锋. 低压电力线载波通信网络结构分析J. 电网技术, 2003, (2).Dong Yabo, Gao Feng. Analysis of structure of carrier communicati

19、on network for low voltage power lineJ. Power System Technology, 2003, (2).。因此需要把一些采集器作为中继节点。图1 集中抄表系统结构图Fig.1 Concentrated meter reading system structure采集系统通信网络的逻辑拓扑是一种基于树形的混合型拓扑结构 冉庆华, 吴玉成, 祁美娟. 低压电力线载波通信网络自动组网方法研究J. 电力系统保护与控制, 2011, (10).Ran Qinghua, Wu Yucheng, Qi Meijuan. Research on automatic

20、 muting method of low-voltage power line carrier networkJ. Power System Protection and Control, 2011, (10).，如图2所示。从逻辑拓扑上，三相为并列且相对独立关系，研究中可取一相为对象。图2 采集系统通信网络的逻辑拓扑Fig.2 The lLogical topology diagram of acquisition system communication network电力线通信网络拓扑呈现动态变化的特点。低压配电网电气节点负载的投入、切出或工作状态的改变，会会改变信道特性，破坏已有的数

21、据逻辑链路；原有的中继节点失效也会导致部分电力线通信的中断。某拓扑如图3所示，各节点在物理上是连通的，但数据链路层上，某时刻1和4之间链路中断，会导致以4节点为中继节点的8、9、10节点逻辑上退出通信网。为了解决这类问题，需要通过自动路由算法实现网络的动态重组。它通过自动寻找新的、合适的路由节点，使网络具有自愈性。图3 动态变化的配电网逻辑拓扑Fig.3 Logical topology diagram of dDynamic changes of the distribution network logical topology2 混合路由算法2.1 蚁群算法蚁群算法(ant colony

22、algorithm, ACA)，是从蚁群觅食过程中得到启发而构造出的一种模拟进化算法。初始在主节点放置人工蚂蚁，即探测数据包，蚂蚁根据载波逻辑链路信息素分布和状态转移规则完成下一跳路径的选择。状态转移规则定义如式（1）所示，状态转移概率如式（2）所示。，为随机数，表示时刻t的信息素，表示t时刻的启发因子。表示载波通信网中节点i的第k只蚂蚁选择节点j作为下一跳节点的概率。 (1) (2)2.2 遗传算法遗传算法是一类随机化搜索方法，它包括适应度评价、选择、交叉、变异等操作。其中适应度是评价个体性能优劣的指标。在群体中个体的适应度评估基础上的，进行选择操作，把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交

23、叉产生新的个体再遗传到下一代。交叉是两父代个体在交叉点两两交换信息而得到新个体，促使其产生新的优良个体。变异是通过改变个体中某些信息而得到新个体，增加群体中解的个数，扩大搜索范围有效避免“早熟”。 2.3 粒子群算法粒子群算法从随机解出发，通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的品质，但它比遗传算法规则更为简单，没有遗传算法的交叉和变异 操作，通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优，具有遗传算法所没有的记忆性。与遗传算法比较, 在大多数的情况下，所有的粒子可能更快的收敛于最优解。2.4 混合路由算法混合路由算法是蚁群算法、遗传算法和粒子群算法相结合。蚁群算法利用信息素传递信息，而粒子群

24、算法利用本身信息、个体极值信息和全局极值三个信息来指导粒子下一步迭代位置。混合算法可以克服遗传算法对反馈信息利用不够。蚁群算法利用正反馈原理和某种启发式算法的有机结合, 容易出现早熟现象以及陷入局部最优解 高尚, 蒋新姿 ,汤可宗, 等. 蚁群算法与粒子群优化算法的混合算法C. 第25届中国控制会议论文集(中册). 2006: 1421-1425.Gao Shang, Jiang Xinzi, Tang Kezong, et al. Hybrid algorithm combining ant colony optimization algorithm with particle swarm

25、optimizationC. Proceedings of the 25th Chinese Control Conference, 2006: 1421-1425.。混合的思路是让蚂蚁也具有“粒子”的特性，首先蚂蚁按照蚁群算法，完成一次遍历后, 再让蚂蚁根据局部最优解和全局最优解进行调整。遗传算法的交叉、变异机制能够避免算法陷入局部最优。每个粒子更新自己的速度和新的位置时融入变异和交叉操作。让当前解与个体极值和全局极值分别作交叉操作, 产生的解为新的位置。以抄表采集系统为例，通过集中器中的载波路由模块抄读电力载波表。算法中将载波信号看作“人工蚂蚁”，且为“粒子”，载波信号的发送即为人工蚂蚁的

26、释放。而从集中器发送信号直到接收到目标终端的回应信号的过程看成是蚂蚁的一次完整的觅食 赵杰卫, 卢文冰, 李贤亮. 电力线载波自动抄表动态路由技术研究J. 电力系统通信, 2007, (11).Zhao Jiewei, Lu Wenbing, Li Xianliang. Research of dynamic routing technology in automatic meter reading system based on power line carrierJ. Telecommunication for Electric Power System, 2007,(11). 作者简介：

27、 吴兆平（1990），女，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事电力用户侧智能控制技术和嵌入式系统方向研究。Email:杨俊杰（1977），男，博士，教授，从事电力用户侧智能控制技术、变电站设备远程状态监测、无线传感器网络、嵌入式系统等方面研究。Email:高聪慧（1986），女，哈尔滨人，硕士研究生，主要从事移动通信核心网的研究。姚金明（1989），女，河南周口人，硕士研究生，主要从事电力用户侧智能控制技术和变电站设备远程状态监测方向研究。Emai:收稿日期：2014-06-17；修回日期：2014-08-10 （焦阳 编发）。以集中器为主节点，根据目的终端的回应信号建立初步路由网络，其他终端通

28、过接收或监听电力线上的信号，根据计算出的电气距离值不断地更新其电气距离表。初始化网络拓扑后，采用遗传算法当中的交叉、变异等操作产生更多逻辑链路。“粒子”追踪个体极值和全局极值来更新自己。3 仿真与实验3.1 仿真环境及参数设置模拟电网拓扑结构，在100*100的区域内随机分布50个节点，编号1到50，以1号节点作为主节点，代表集中器，2-50号节点代表49个载波通信节点。仿真参数设置如表1所示。表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters参数取值参数的含义N50节点数a1.5信息素因子b2启发因子NA100蚁群最大迭代次数NGP50遗传粒子群优化最大迭代次数Pc0.8交

29、叉概率Pm0.05变异概率m50蚂蚁数目r0.9轨迹持久性Delay(i,j)节点i,j间通信距离*0.01ms节点i,j间传输时延Delay(i)0.5ms节点i的处理时延Packet_loss(i,j)节点i,j间通信距离*0.01%节点i，j间的包丢失率Cd2时延权重因子Cp3丢包率权重因子从1号节点到目的节点M的路径path(, , ,)的路径延时如式（3）所示，丢包率如式（4）所示。 （3） （4）3.2 仿真结果及分析将本文所提出的混合路由算法与蚁群算法相对比，对比结果如图4，图5所示。图4为数据包平均时延比较图。从图中可以看出，两种算法都存在比较明显的初始延时，随着时间推移，蚁群算法延迟